《Journal of Environmental Sciences》：Adverse effects of tire wear particles and cadmium on nitrogen removal in stormwater filtration systems: Insights from microbial communities and functional genes
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•阐明了TWPs-Cd在微生物和功能基因层面对氮的调控作用。•TWPs5条件下NH4+-N去除率是TWPs0.1条件下的8.09倍。•TWPs与Cd的共污染对NH4+-N去除具有拮抗作用。•与Cd相比，TWPs在NO3–N去除和微生物β多样性方面占主导地位。•在TWPs或TW
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阐明了TWPs-Cd在微生物和功能基因层面对氮的调控作用。
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TWPs5条件下NH4+-N去除率是TWPs0.1条件下的8.09倍。
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TWPs与Cd的共污染对NH4+-N去除具有拮抗作用。
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与Cd相比，TWPs在NO3–N去除和微生物β多样性方面占主导地位。
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在TWPs或TWPs-Cd共污染条件下，硝化基因受到严重抑制。
引言
雨水过滤系统作为海绵城市建设的核心组成部分，对于城市水循环管理和防洪减灾具有重要意义（Shahzad等，2022）。雨水过滤系统通过收集和渗入雨水径流，有助于减少城市内涝（Jamali等，2020）。与此同时，渗入补给地下水，有助于维持区域地下水位稳定（Zheng和Deng，2024）。此外，当雨水通过过滤介质层时，其所含的各种污染物被拦截和净化，避免其直接排入自然水体，从而改善受纳水体水质（Eregno和Heistad，2019；Kong等，2024）。在雨水处理过程中，氮污染物的去除尤为关键（Zhao等，2023；Zhou等，2025a）。溶解性氮（主要包括铵态氮和硝酸盐氮）作为氮的常见存在形式，随径流进入受纳水体后可促进水体富营养化（Biswal等，2022；Shokri等，2021）。另一方面，如果此类污染物渗入含水层，容易恶化地下水水质，进而对公共健康构成潜在威胁。因此，深入研究氮污染物在雨水过滤系统中的归趋和去除机理，对于提升系统性能和促进城市水管理可持续发展具有重要意义。
轮胎磨损颗粒（TWPs）是一种新兴污染物，已在城市径流和雨水过滤系统中被频繁检测到（French等，2021；Mengistu等，2022）。现有研究表明，TWPs占水环境中微塑料总排放量的半数以上，仅次于合成纤维，成为第二大微塑料来源（Wang等，2019）。随着汽车保有量不断增加，TWPs对雨水径流的输入相应增加，导致其在雨水过滤系统中的累积增多（Li等，2022、2024）。TWPs会改变过滤系统的理化性质并释放有毒添加剂（Wik和Dave，2009；Xu等，2024），从而影响微生物群落的结构和功能（Brown等，2023；Lehmann等，2019；Tao等，2024）。TWPs可能干扰各种污染物特别是氮的迁移和转化（Jachimowicz等，2024；Wang等，2022）。现有研究大多聚焦于TWPs在水环境中的影响（Li等，2023；Pochron等，2018），部分研究也将其范围拓展到TWPs在土壤和人工湿地介质中的作用（Ding等，2022；Kim等，2021；Ziajahromi等，2023）。然而，尽管雨水过滤系统是雨水处理和水质保护的关键组成部分，TWPs在雨水过滤系统中的作用仍知之甚少。
镉（Cd）是一种具有高迁移性和高毒性的环境污染物，可通过大气沉降和交通磨损等多种途径进入城市雨水径流，并随后在雨水过滤系统中累积（Lerat-Hardy等，2021；Zhao等，2014）。在雨水过滤系统中，Cd可通过破坏参与氮循环微生物的细胞膜结构和抑制关键酶活性，降低氮转化效率（Bai等，2020；Lu等，2022）。TWPs和Cd通常共同存在于雨水过滤系统中，其相互作用可能进一步放大二者对系统功能的联合污染效应（Wu等，2024；Zhao等，2023a）。由于TWPs具有较大的比表面积，可充当Cd的载体（Gao等，2021；Huang等，2021），促进其对Cd的吸附和富集（Anderson等，2016；Medyńska-Juraszek和Jadhav，2022）。同时，羧基和羟基等表面官能团可与Cd形成稳定的络合物，从而增强其生物有效性（Dissanayake等，2022；Zhao等，2022）。在TWPs和Cd的联合污染下，雨水过滤系统中的微生物群落结构可能被重塑（He等，2022a），氮代谢相关功能基因的表达受到干扰，最终导致系统整体氮去除性能下降（Lan等，2024）。然而，目前仍缺乏对TWPs和Cd联合污染影响雨水过滤系统氮去除性能的机理，尤其是微生物群落响应和氮循环功能基因的系统深入研究。
本研究的主要目标是分析TWPs和Cd在雨水过滤系统中的单一和联合污染对氮去除、关键微生物群落以及氮循环功能基因的影响。研究假设TWPs和Cd的联合污染与单一污染不同，且联合效应可能偏离加和预期。从微生物群落和功能基因角度，本研究系统阐明了TWPs和Cd联合污染影响雨水过滤系统氮去除性能的机理，为认识TWPs和Cd对雨水过滤系统、雨水净化系统的影响以及保护水环境安全提供了科学依据。
部分摘要
雨水过滤系统设置与污染情景
本研究选用实验室规模的雨水过滤系统，以便在不同污染情景之间进行重复性比较（Zhang等，2016）。每个雨水过滤系统采用200 mL玻璃注射器筒体作为主要容器，并预先移除推杆和针头（图1）。过滤介质由清华大学校园内采集的石英砂和褐土混合而成。介质底部还铺设了一层土工布。
TWPs污染对Cd去除的影响
在雨水径流过滤系统中，TWPs对雨水径流中Cd的去除表现出不利影响（图2）。当处理Cd浓度为250 μg/L的雨水径流时，未受TWPs污染的过滤系统平均Cd去除效率达到99.59%，而所有含TWPs的过滤系统的Cd去除效率均低于75%。随着TWPs含量增加，对Cd去除效率的抑制作用相应增强。
结论
在雨水过滤系统中，TWPs污染抑制了雨水径流中Cd的去除，且该抑制作用随TWPs含量升高而增强。TWPs单一污染和Cd单一污染在各自浓度下均导致铵态氮和硝酸盐氮去除效率下降。TWPs单一污染对铵态氮和硝酸盐氮去除的抑制作用均大于Cd单一污染。
未引用参考文献
Harpreet S等，2014；Li等，2024；Liu和Liang，2023；Sakson等，2018；Wang等，2020。
CRediT作者贡献声明
Cong Men：撰写——审阅与编辑，方法论，经费获取，形式化分析，数据管理，概念构思。Shiyu Zhao：撰写——初稿，可视化，形式化分析，数据管理。Xiying Liu：验证。Bing Qu：验证。Jiane Zuo：撰写——审阅与编辑，经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（编号：52400245）和国家重点研发计划（编号：2017ZX07103-007）资助。
Cong Men|Shiyu Zhao|Xiying Liu|Bing Qu|Jiane Zuo
